“探究动能定理”的实验本质与复习教学策略探讨

丁冠锋 孟振洲

(1. 南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210023;2. 江苏省南京市第十三中学,江苏 南京 210008)

“探究动能定理”的实验本质与复习教学策略探讨

丁冠锋1孟振洲2

(1. 南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210023;2. 江苏省南京市第十三中学,江苏 南京 210008)

本文对2017年江苏省普通高中学业水平测试说明物理部分新增考点“探究动能定理”实验的内涵进行了深度分析,在综述了有关研究成果的基础上,针对江苏高考能力立意的命题理念，提出了搞好该实验复习教学的几点建议.

高考物理考试说明;动能定理实验;实验素养

江苏省教育考试院发布的2017年江苏省普通高中学业水平测试(选修科目)考试说明(物理科)新增了课程标准要求的实验——“探究动能定理”(以下简称该实验).按照以往规律,新增考点在当年高考中出现的可能性较大.笔者从高考视角出发,对该实验的复习教学展开了研究,期望能够对正在备考的师生进行高效全面的复习有所启发.

1 “探究动能定理”实验已有研究综述

相比动能定理在解题、应用、教学设计等方面研究的高热度,关于动能定理的实验研究则要少得多.对于高中教学来说,笔者认为出现这种现象的主要原因有两个:一是全国范围内高考中对于该实验的考查相对较少(江苏卷物理考试说明在此之前所要求的八个实验未包含该实验),在高考指挥棒主导下,师生从思想上对该实验并不重视;二是该实验对学生要求高,操作难度较大.为了保证教学成绩的“最优性价比”,教师在教学时,往往选择一带而过,而把重点放在动能定理公式的讲解与应用上.

教育部2003年颁布的《普通高中物理课程标准(实验)》对探究动能定理实验提出了要求.通过中国知网文献高级搜索功能,先后以“功与速度关系”“探究动能定理”为关键词进行主题搜索,并将时间限定为2004—2016年,搜索分别得到54篇和21篇文献.去掉5篇重复的和2篇无关文献,在总计68篇文献中发现,相关学者或一线教师对该实验的研究主要涉及4个方面:① 实验方案的改进(从精确、操作方便程度等角度改进,包括借助DIS的改进)37篇;② 实验命题、复习建议17篇;③ 课本实验的教材分析、教学设计和教学案例13篇;④ 不同教材对探究动能定理实验的对比研究1篇.该实验的改进研究涉及丰富的类型:原理、仪器、测量改进等.笔者认为,这些研究为高考物理江苏卷探究动能定理实验命题提供了素材,尤其是多种不同的实验方案可以作为优缺点分析、改进、设计考查的情境,建议一线教师以几个改进的例子为线索,启发学生思考、进行创新设计.

自分省命题以来,高考题中对于该实验的考查出现在2008年广东卷、2009年广东卷、2009年安徽理综卷中,考点多集中在仪器的使用与读数、实验原理和步骤.接近课本,较为基础,难度较小,对数据误差分析和实验改进与设计几乎无考查.另外,实验情境与课本相同或近似,对学生知识迁移运用能力的考查不够.因此对该实验内容在高考物理江苏卷上出现会是什么样子,我们的考生如何应对,教师们又该如何复习，将会是大家探讨的热点.

2 “探究动能定理”教学分析

2.1 课本分析

人教版必修二物理在“动能定理”一节前设置了探究实验:探究功与速度变化的关系，动能与速度有关,而能量又是通过做功进行转化,实验的目的是找到功与速度变化的具体关系,进而找到动能表达式的线索.课本给出了两种实验方案:一是重物通过滑轮牵引小车;二是使小车在橡皮筋的作用下运动.最终要得到的功W与速度v的关系留给学生自己探究得出.图1给出了一种探究动能定理实验的思维导图.

图1

2.2 实验素养内涵和教育价值

该实验从探究功与速度变化的关系出发,利用理论推导得到功与动能的关系,在实验与理论结合的基础上定义动能,最后得到动能定理.这是一个体现实验与理论相结合的典型实验,并且涉及物理量定义,具有很强的代表性.首先,该实验需要学生发散的思维和严谨的推理,这对学生日后走向社会解决问题大有裨益;同时,该实验也需要学生之间的交流讨论,比较不同方案的优点与不足,对培养学生的交往能力和合作意识很有帮助.该实验加深了学生对用能量观解决力与运动问题的理解.另外,由于橡皮筋本身规格的问题带来实验结果的不同于理想数据的误差，一方面要求学生有实事求是、严谨的科学态度,另一方面可使学生主动思考改进的方式.

3 探究动能定理实验的复习教学策略

对于准备2017年高考的师生来说,由于是高考新增实验,在新课教学中对这一部分内容是简单提及,甚至是直接跳过的.这就要求师生在随后的复习中,重新做一遍动能定理探究实验,考虑到学生已经掌握了动能定理,最好能在课本提供的实验方案基础上让学生设计实验方案，不同学校可以根据自身具体情况,从基础层次和提高层次分别指导学生复习，下面给出3点建议.

3.1 重视动手实验,提高实验技能

高考物理江苏卷对实验技能的考查是全面的,“2008方案”以后的高考命题在力求区分“做实验”和“不做实验”方面做了很多探索.实验技能考查主要体现在实验仪器和装置、实验原理和方法、实验采集和处理三个方面：① 在实验仪器和装置使用上,要掌握打点计时器的使用,能够对纸带正确读数,认识橡皮筋提供的力是变力,了解传感器和光电门的使用，有条件的学校最好让学生根据课本实验方案使用这些现代仪器进行准确测量;② 在实验原理和方法上,熟练掌握功和速度的测量方法，对于功的测量,注重倍增法测功,能用弹簧测力计、力传感器等测力;对于速度的测量,会用打点计时器、光电门等对物体初、末速度进行测量;③ 在实验数据的采集和处理上,能够根据得到的数据正确作图,并能对图像表达的含义进行分析,分析误差来源，并提出改进建议.

复习教学中必须让学生走进实验室,通过学生动手操作,发现实验过程中的问题.教师可在实验结束后安排一节课专门进行总结反思,针对实验中发现的问题,让学生交流讨论.

3.2 强调“倍增法”思想,抓住“功的测量”是关键

该实验的一大特色也是难点在于利用倍增思想进行功的测量.即不是直接测量力和力的方向上的位移来计算得出做功大小,而是通过成倍增加力或位移的方法来使功加倍.“倍增法测功”的难点在于功的单位的理解，由于在学生的认知中,功的单位是焦耳,直接计算得出具体的多少焦耳的功，从而画出功与速度图像问题不大.但是,如果把功取成倍增关系，用1W、2W、3W等来代表功的大小,功与图像中纵坐标的单位就不再是焦耳,学生会认为并没有把功具体测出来,没有具体的数字.教师若对此不清楚说明,学生会怀疑这样的实验方案是否真的可行.实际上,用W表示功是确定的,只不过是用字母而不是数字来表示其值的大小.以下来看两个例子.

(1) 如图2所示的实验装置,通过增加橡皮筋的条数成倍增加功的大小,是一种通过成倍增加力的大小(保持每次释放时在同一位置,做功距离相等)使功加倍的方法.

图2

(2) 如图3所示的实验装置,小车在重物的牵引下从静止开始运动,打点计时器在纸带上打出如图4所示一系列点迹.若取相同的时间间隔,记OA=S,则OB=4S,OC=9S……,依此类推,则得到一组为1W、4W、9W……的功.这是一种通过成倍改变位移的大小(保持小车所受合力不变)使功加倍的方法,此方法的好处是不需要考虑重物质量与小车质量的关系,也不需要平衡摩擦力.

图3

图4

以上两个例子启发我们,要让学生明白,从功的定义出发,即功是力和力的方向上位移的乘积,这样功的倍增方式无外乎两种.不管对于何种情境,正确分析什么力在做功以及力的方向上位移多大，是找准倍增的关键.

3.3 加强新情境下的信息提取训练,提高问题解决能力

近几年高考物理江苏卷的特点之一就是实验题情境源于课本,又高于课本.考生对其既有熟悉感,同时又是陌生的.熟悉在知识点、原理和方法上,陌生在情境上.这就要求我们一方面要将实验原理讲清楚,让学生将课本实验做到位;另一方面,要在学生实验训练中寻求变化,充分利用实验室的各种实验器材,鼓励学生结合所学的其他知识大胆尝试实验设计.对于该实验,需要注意几个情境设计出发点:一是做功的来源,比如重力势能、弹性势能的变化引起的功的变化,对应的情境可以是弹簧、电磁弹射器等;二是研究过程的多样性,比如依托自由落体、平抛运动等直线或曲线运动过程,情境可以是某物体先下滑再做平抛运动,探究下滑过程功与下滑过程末速度的关系,此末速度恰好为平抛运动水平初速度;三是与探究加速度与力、质量关系实验的结合,由于两者可以运用相同的实验器材来完成,能量与力和运动又是紧密联系的,所以两者结合起来的考查也需要关注.教师在复习教学过程中要有意识地跳出课本情境的限制,可以设计或者搜集一些新颖的实验题情境提高学生的运用迁移能力,由简到难,由基础到创新.

[1] 黄红波.江苏高考物理实验题的新课程特点与答题情况分析[J].物理教学,2013,(2):64-67.

[2] 刘霁华.“探究功与速度变化的关系”的几种实验方案[J].物理教学探讨,2008,(13):51-53.

[3] 冯志霞.实验复习应注重培养学生的能力——以《探究动能定理》为例[J].中学物理教学参考,2014,(4):54-55.

[4] 朱建廉.从“动能定理”谈起——基于“实验:探究功与速度变化的关系”的教材分析[J].物理教师,2014,(8):14-16.

[5] 吴俊.借“验证机械能守恒定律”谈物理实验复习[J].中学物理教学参考,2008,(3):46-48.